JP7140164B2 - 貴金属スパッタリングターゲット - Google Patents

Description

本発明は、半導体分野における薄膜の形成に最適な貴金属スパッタリングターゲットに関する。

スパッタリングは、半導体分野における微細配線、ＭＥＭＳ、光デバイス、ＬＥＤ、有機ＥＬ、高周波デバイス、水晶などにおける薄膜を形成するのに用いられている。スパッタリングとは、真空中で不活性ガス（主にアルゴンガス）を導入し、ターゲット（プレート状の成膜材料であって、スパッタリングターゲットとも呼ばれる。）にマイナスの電圧を印加してグロー放電を発生させ、不活性ガス原子をイオン化し、高速でターゲット表面にガスイオンを衝突させて激しく叩き、ターゲットを構成する成膜材料の粒子（原子、分子）を激しく弾き出し、勢いよく、基材や基板の表面に付着、堆積させ薄膜を形成する技術である。

スパッタリングでは、高融点金属や合金など真空蒸着が困難な材料でも成膜が可能であり、広範囲な成膜材料に対応することができるという特長を有する。通常、スパッタリングターゲットは、そのスパッタ特性を安定させるために、使用前に一定時間予備的なスパッタが実施される（プレ・スパッタと呼ばれる）。プレ・スパッタは特に成膜に寄与しないが、プレ・スパッタ時に異常放電が発生するとスパッタリングターゲットにダメージを与えることがあり、また、プレ・スパッタ時にパーティクルが多発すると、スパッタチャンバ内を不必要に汚染するという問題がある。

貴金属スパッタリングターゲットの場合、プレ・スパッタ時の異常放電が比較的発生しやすく、また、パーティクルが発生し易いという傾向があった。プレ・スパッタ時間を長くするなどの対策も考えられるが、それによる生産性の低下は避けられず、逆に高価な貴金属スパッタリングターゲットは、プレ・スパッタ時間を極力短縮することが求められている。貴金属スパッタリングターゲットに関する先行技術として、例えば以下のものが知られている。

国際公開第２０１７／２０９２８１号

本発明は、プレ・スパッタ時における異常放電の発生を抑制することができる貴金属スパッタリングターゲットを提供することを課題とする。

上記課題を解決することができる本発明の一態様は、スパッタされる面の表面粗さＲａが１０μｍ以下であり、炭素含有量が１０ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする貴金属スパッタリングターゲットである。

本発明によれば、プレ・スパッタ時における異常放電の発生を抑制することができるという優れた効果を有する。

Ａｕスパッタリングターゲット：表面粗さに対するプレ・スパッタ時の異常放電回数を示すグラフである。 Ａｕスパッタリングターゲット：炭素含有量に対するプレ・スパッタ時の異常放電回数を示すグラフである。 Ｐｔスパッタリングターゲット：表面粗さに対するプレ・スパッタ時の異常放電回数を示すグラフである。 Ｐｔスパッタリングターゲット：炭素含有量に対するプレ・スパッタ時の異常放電回数を示すグラフである。 Ｐｄスパッタリングターゲット：表面粗さに対するプレ・スパッタ時の異常放電回数を示すグラフである。 Ｐｄスパッタリングターゲット：炭素含有量に対するプレ・スパッタ時の異常放電回数を示すグラフである。 Ａｇスパッタリングターゲット：表面粗さに対するプレ・スパッタ時の異常放電回数を示すグラフである。 Ａｇスパッタリングターゲット：炭素含有量に対するプレ・スパッタ時の異常放電回数を示すグラフである。 スパッタリングターゲットの表面粗さの測定箇所を示す模式図である。

スパッタリングは、スパッタリングターゲット表面にアルゴンイオンを衝突させて、スパッタリングターゲットを構成する成膜材料の粒子を激しく弾き出し、ターゲットに対向する基板の表面に粒子を堆積させて薄膜を形成する技術である。アルゴンイオンが衝突して粒子が弾き出され、基板に対向して成膜に寄与するスパッタリングターゲットの表面をスパッタされる面という。スパッタされる面の表面状態は、スパッタ特性（異常放電など）に影響を与えることが知られているが、その最適な表面状態は、スパッタリングターゲットの材質によって大きく異なる。

したがって、特定の材質からなるスパッタリングターゲットの最適な表面状態を他の材質からなるスパッタリングターゲットの表面状態に適用しても、同様のスパッタ特性が得られるとは限らない。貴金属スパッタリングターゲットの場合、これまでスパッタ特性に最適な表面状態というものが知られていなかった。特に、貴金属スパッタリングターゲットは高価な材料であるため、プレ・スパッタ時間を短くすることは、コストの観点から極めて有効であり、貴金属スパッタリングターゲットに最適な表面状態を見出すことは重要である。

本発明の実施形態は、貴金属スパッタリングターゲットであって、スパッタされる面の表面粗さＲａが１０μｍ以下であることを特徴とするものである。スパッタされる面の表面粗さＲａを１０μｍ以下とすることにより、プレ・スパッタ時における異常放電の発生を顕著に低減することが可能となる。より好ましい実施形態は、表面粗さＲａが５μｍ以下である。さらに好ましい実施形態は、表面粗さＲａが２μｍ以下である。

また、本発明の実施形態は、不純物である炭素含有量が１０ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする。貴金属スパッタリングターゲットは、その製造工程における洗浄時や大気中から、炭素が付着し易く、プレ・スパッタ時において異常放電の原因となる。炭素含有量を１０ｗｔｐｐｍ以下とすることにより、このような異常放電を抑制することが可能となる。好ましい実施形態は、炭素含有量が５ｗｔｐｐｍ以下であり、より好ましい実施形態は、炭素含有量が２ｗｔｐｐｍ以下である。

本願明細書において、貴金属スパッタリングターゲットは、金、白金、パラジウム、銀のいずれかの単一の金属からなるスパッタリングターゲットを意味し、銀合金などの貴金属を一部に含むような合金スパッタリングターゲットを意味しない。単一の金属からなる場合、スパッタリングターゲットの材質が合金の場合と異なり、スパッタ特性に最適な表面状態が変化するため、合金の場合に最適な表面状態をそのまま適用することが難しい。なお、本願明細書において、単一の金属とは、不純物として他の金属成分を微量に含むものまで除くことを意味せず、具体的には金属不純物を合計で１０００ｗｔｐｐｍ以下含有していてもよい。金属不純物は、グロー放電質量分析（ＧＤ－ＭＳ）を用いて分析することができる。また、各金属不純物の含有量が、分析下限値未満の場合には、分析下限値をその含有量として算出する。

貴金属スパッタリングターゲットは、貴金属の種類によって、不純物の取り込み易さが異なるため、貴金属の種類に応じて、不純物の含有量を制限することは特に効果的である。金（Ａｕ）又は銀（Ａｇ）からなるスパッタリングターゲットにおいては、炭素の各含有量が５ｗｔｐｐｍ以下とすることが好ましい。白金（Ｐｔ）又はパラジウム（Ｐｄ）からなるスパッタリングターゲットにおいては、炭素の各含有量が１０ｗｔｐｐｍ以下とすることが好ましい。

以下、本願明細書に記載されるスパッタリングターゲットの各種物性評価は、以下の方法を用いて行った。
（スパッタリングターゲットの表面粗さ）
表面粗さの測定に使用した装置及び測定箇所を以下に示す。
測定装置：接触式表面粗さ測定器（東京精密製）
型式：ＳＵＲＦＣＯＭ １３０Ａ
ＪＩＳ規格：ＪＩＳ Ｂ ０６０１－２００１
表面粗さの測定に供するサンプルは、スパッタリングターゲットの表層部（スパッタされる面）について、図７の●に示すように、中心部及び半径の約１／４の点（外周に近い側）の計２か所から抽出する。抽出した２か所のサンプルについて、表面粗さを測定し、その平均値を求めた。

（スパッタリングターゲットの炭素含有量）
炭素含有量の測定に使用した装置及び測定箇所を以下に示す。
測定装置：堀場製作所、ＥＭＩＡ－９２０Ｖ
分析方法：非分散赤外線吸収法
炭素含有量の測定に供するサンプルは、スパッタリングターゲットの２箇所から端材を切り出す。切り出したサンプルについて、酸洗浄後、アセトン洗浄し、乾燥させた。洗浄後、２つのサンプルについて、炭素含有量を測定し、その平均値を求めた。なお、スパッタリングターゲットの極端な場所（例えば、外周端など）からの端材の切り出しは避けた。

次に、本発明の実施例等について説明する。なお、以下の実施例は、あくまで代表的な例を示しているもので、本発明はこれらの実施例に制限される必要はなく、明細書に記載される技術思想の範囲で解釈されるべきものである。

（Ａｕスパッタリングターゲット）
純度４ＮのＡｕ原料を高純度アルミナ坩堝を用いて真空溶解し、Ａｕのインゴットを作製した。得られたＡｕのインゴットを鍛造、圧延、熱処理を施して、スパッタリングターゲット形状に加工した。その後、スパッタリングターゲットを旋盤加工及びＣＭＰ研磨を行うことにより、スパッタされる面の表面粗さを調整した。また、インゴットからスパッタリングターゲット形状に加工する際に潤滑油等を使用せず、炭素混入を防止したものを基準のサンプルとし、炭素含有量と異常放電の関係性を調査するため、溶解の際にカーボン粉末を一定量添加して、スパッタリングターゲット中の炭素含有量を調整した。

表面粗さと炭素含有量を調整したＡｕスパッタリングターゲット（サンプル）を表１に示す。表面粗さと炭素含有量を調整した各サンプルについて、以下の条件で、プレ・スパッタを実施し、スパッタ装置に付属の異常放電モニターで異常放電回数を測定した結果、図１に示す通り、表面粗さＲａが１０μｍを超えてから、異常放電回数が急激に増加した。また、図２に示す通り、炭素含有量が５ｗｔｐｐｍを超えてから、異常放電回数が急激に増加した。
（プレ・スパッタの条件）
スパッタ装置：電源内蔵型マグネトロン方式
神港精機製（型式：ＳＤＨ１０３１１）
ＤＣ電源：京三製作所（型式：ＨＰＫ０６ＺＩ）
パワー：０．５ｋｗ～１．５ｋＷ
圧力：０．２～０．４Ｐａ
ウエハーサイズ：６インチ
ターゲットサイズ：８インチ
プレ・スパッタ時間：２０分

（Ｐｔスパッタリングターゲット）
純度４ＮのＰｔ原料を高純度アルミナ坩堝を用いて真空溶解し、Ｐｔのインゴットを作製した。得られたＰｔインゴットを鍛造、圧延、熱処理を施して、スパッタリングターゲット形状に加工した。その後、スパッタリングターゲットを旋盤加工及びＣＭＰ研磨を行うことにより、スパッタされる面の表面粗さを調整した。また、インゴットからターゲット形状に加工する際に潤滑油等を使用せず、炭素混入を防止したものを基準サンプルとし、炭素含有量と異常放電の関係性を調べるために溶解時にカーボン粉末を一定量添加して、スパッタリングターゲット中の炭素含有量を調整した。

表面粗さと炭素含有量を調整したＰｔスパッタリングターゲット（サンプル）を表２に示す。表面粗さと炭素含有量を調整した各サンプルについて、上記のプレ・スパッタ条件でプレ・スパッタを実施し、スパッタ装置に付属の異常放電モニターで異常放電回数を測定した結果、図３に示す通り、表面粗さＲａが５μｍを超えてから、異常放電回数が急激に増加した。また、図４に示す通り、炭素含有量が１０ｗｔｐｐｍを超えてから、異常放電回数が急激に増加した。

（Ｐｄスパッタリングターゲット）
純度３Ｎ５のＰｄ原料をアルミナ坩堝を用いて真空溶解し、Ｐｄのインゴットを作製した。得られたＰｄインゴットを鍛造、圧延、熱処理を施して、スパッタリングターゲット形状に加工した。その後、スパッタリングターゲットを旋盤加工及びＣＭＰ研磨を行うことにより、スパッタされる面の表面粗さを調整した。また、Ｐｄインゴットからターゲット形状に加工する際に潤滑油等を使用せず、炭素混入を防止したものを基準サンプルとし、炭素含有量と異常放電の関係性を調べるために溶解時にカーボン粉末を一定量添加して、スパッタリングターゲット中の炭素含有量を調整した。

表面粗さと炭素含有量を調整したＰｄスパッタリングターゲット（サンプル）を表３に示す。表面粗さと炭素含有量を調整した各サンプルについて、上記のプレ・スパッタ条件でプレ・スパッタを実施し、スパッタ装置に付属の異常放電モニターで異常放電回数を測定した結果、図５に示す通り、表面粗さＲａが５μｍを超えてから、異常放電回数が急激に増加した。また、図６に示す通り、炭素含有量が１０ｗｔｐｐｍを超えてから、異常放電回数が急激に増加した。

（Ａｇスパッタリングターゲット）
純度４Ｎ５のＡｇ原料を高純度カーボン坩堝を用いて真空溶解し、Ａｇのインゴットを作製した。得られたＡｇインゴットを鍛造、圧延、熱処理を施して、スパッタリングターゲット形状に加工した。その後、スパッタリングターゲットを旋盤加工及びＣＭＰ研磨を行うことにより、スパッタされる面の表面粗さを調整した。また、Ａｇインゴットからターゲット形状に加工する際に潤滑油等を使用せず、炭素混入を防止したものを基準サンプルとし、炭素含有量と異常放電の関係性を調べるために溶解時にカーボン粉末を一定量添加して、スパッタリングターゲット中の炭素含有量を調整した。

表面粗さと炭素含有量を調整したＡｇスパッタリングターゲット（サンプル）を表４に示す。表面粗さと炭素含有量を調整した各サンプルについて、上記のプレ・スパッタ条件でプレ・スパッタを実施し、スパッタ装置に付属の異常放電モニターで異常放電回数を測定した結果、図７に示す通り、表面粗さＲａが５μｍを超えてから、異常放電回数が急激に増加した。また、図８に示す通り、炭素含有量が５ｗｔｐｐｍを超えてから、異常放電回数が急激に増加した。

本発明によれば、プレ・スパッタ時における異常放電の発生を抑制することができるという優れた効果を有する。本発明の実施形態に係る貴金属スパッタリングターゲットは、高周波デバイス、水晶、ＭＥＭＳ、光デバイス、ＬＥＤ、有機ＥＬ、などにおける薄膜を形成するのに有用である。

Claims (4)

1. スパッタされる面の表面粗さＲａが２μｍ以下であり、炭素含有量が１ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする金スパッタリングターゲット。
2. スパッタされる面の表面粗さＲａが２μｍ以下であり、炭素含有量が２ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする白金スパッタリングターゲット。
3. スパッタされる面の表面粗さＲａが２μｍ以下であり、炭素含有量が３ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とするパラジウムスパッタリングターゲット。
4. スパッタされる面の表面粗さＲａが２μｍ以下であり、炭素含有量が２ｗｔｐｐｍ以下であることを特徴とする銀スパッタリングターゲット。
   

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